高热导率聚合物复合材料因其成本低，易制取等优点在需要快速散热的领域具备很好的应用前景。目前，研究者探索了包括碳纳米管，金属纳米线，陶瓷颗粒等填充材料。但是在电子器件封装等场景，良好的绝缘性要求限制了碳纳米管，金属纳米线等填充材料的使用，而氮化硼纳米管因其优良的绝缘性能，稳定性，以及高热导率等特点极具应用潜力。在聚合物复合材料中，纳米填充物和聚合物中间的界面热阻极大地限制了热导率的提升。限于对纳米尺度界面热阻测量的困难，研究者通常先对宏观材料进行测量，再通过物理模型对界面热阻进行拟合。实验结果与模型拟合往往存在较大偏差，如何准确描述纳米尺度界面导热特性仍是目前亟待解决的一大难题。
图1.实验测量装置电镜图（插图展示了BNNT和PVP接触部分的形貌特征）
为实现对纳米尺度界面导热特性的直接测量，李德玉教授课题组借助自制的微纳操作台，搭建了单一的氮化硼纳米管-聚乙烯吡咯烷酮（PVP）-氮化硼纳米管接触界面，成功地研究了纳米尺度接触界面的导热输运特性。
该团队首先探索了没有PVP中间层、纳米管直接接触时界面的导热特性：单位面积界面热导与纳米管直径具有明显的相关性，展示出弹道输运的特点：纳米管直径越小，单位面积界面热导越小。实验和模拟结果表明，氮化硼纳米管法向声子自由程较长（室温下可达~100nm）。纳米管直接接触时，声子在纳米管内壁的反射极大地限制了界面热导，使得氮化硼纳米管聚合物复合材料无法形成高效的热渗透网络。
图2.（a）氮化硼纳米管直接接触时的单位面积界面热导特性(b)层状氮化硼法向声子自由程(c)声子反射作用对界面热阻的贡献(d)PVP中间层对界面热导的双向调节作用
进一步的研究表明，PVP中间层的添加，改变了氮化硼纳米管直接接触时声子弹道输运的传输模式，有效减少了声子反射引起的热阻。值得注意的是，PVP中间层的添加会引入额外的扩散热阻，这与减少声子反射的作用相互竞争，使得PVP中间层对界面热导产生了双向调节作用：对于大直径纳米管，由于声子反射贡献较小，PVP中间层降低了界面热导；而对于小直径纳米管，通过有效降低声子反射作用，PVP中间层提升了界面热导。
该研究揭示了氮化硼纳米管聚合物复合材料中复杂的界面热输运现象，展示了PVP中间层在界面导热过程中出乎意料的双向调节作用，为高热导率聚合物复合材料设计提供了新的思路。
以上相关成果发表在Nano Letters （DOI：10.1021/acs.nanolett.1c02504) 。论文的第一作者为范德堡大学工程学院博士生潘治良，通讯作者为李德玉教授。
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c02504
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